動力鋰離子電池電極材料在線厚度測量及生產中的應用

任志剛

（西安建筑科技大學機電工程學院，陜西 西安710055）

截至2014年，中國的汽車保有量已達2.64億輛。普通中國百姓越來愈多的感受到了汽車帶來的方便，同樣隨著汽車的普及，石油進口的高度依賴、汽車尾氣污染等的問題日益凸顯。這讓國家不得不重新審視汽車產業結構的合理性。在2015年中國政府發布的《中國制造2025》的戰略行動綱領中，節能與新能源汽車成為9大重點發展領域之一。在新能源汽車中，混合動力，燃料電池，純電動驅動方式三足鼎立，尤其是純電動汽車，以其特有的“0”排放成為汽車界的新寵。如2013年美國特斯拉汽車公司高調進入中國，使得純電動汽車更多地被中國百姓接受。特別是特斯拉的強大的加速性能和令人驚嘆的扭矩輸出，我們對其堪稱心臟的動力鋰離子電池系統更加關注。

動力鋰離子電池因其較高的能量密度，高放電倍率成為純電動汽車的儲能的首選，同樣因為單體容量限制，應用時都采用了電池成組加電池管理系統（BMS）對通過串并聯進系統的單體電池進行充放電管理。這樣單體鋰離子電池的一致性問題成為影響動力電池包乃至成品純電動汽車的關鍵。因此，本文針對對成品品質影響較大的電極材料涂布環節入手，針對涂布后及烘干后的電極材料的厚度及克重進行測量，收集單體電池充填材料的質量信息，為后期封裝，以及分選。成組提供準確的品質參考依據；確保整組后的動力鋰離子電池具有相對穩定的一致性。在實際應用中，通過這類型厚度測量方法的得到的動力鋰離子電池包具有較好的一致性，使用壽命也有所提高。

1 動力鋰離子電池生產線介紹

動力鋰離子電池生產制造過程分為：材料驗收、稱重、攪拌、涂布、干燥、壓整、切割、堆放、充液、封裝、充放電、老化、出廠等一系列工序，其中還包括為制造過程提供動力的供電，供氣，及純化水提供設備，此外潔凈環境的空調及過濾等的輔助系統，正果生產工序如圖1所示。

圖1 鋰電池制造過程

2 動力鋰離子電池結構

鋰電池主要由正極材料、負極材料、隔膜和電解液等構成。動力鋰離子電池所用正極材料，因考慮比容量，循環壽命，工作溫度，安全性能，放電倍率等因素主要為磷酸鐵鋰，錳酸鋰，鈷酸鋰及三元材料等幾種材料。并且正極材料的性能直接影響了鋰電池的各項性能指標。負極材料常用碳負極，如石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等，近期碳納米管等納米材料也開始應用在負極材料上。隔膜是關鍵的內層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性。性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜材質是不導電的，其物理化學性質對電池的性能有很大的影響，如圖2所示。

圖2 鋰離子電池的構造

3 動力鋰離子電池PNGV等效電路模型及精度誤差分析

由于鋰離子動力電池的等效電路模型并不唯一，且考慮到純電動汽車負載時刻處于變化狀態，故選用一種能描述電池動態電流充放電特性的電池模型PNGV模型。PNGV電池等效模型為電阻、電容所構成。PNGV模型屬于低階模型，但比簡單的一階模型、Thevenin模型、RC模型精度高。圖3所示的PNGV模型是根據2001年美國能源部《PNGV電池試驗手冊》中的標準電池模型。模型中Uco為理想電壓源，表示電池的開路電壓；Ro為歐姆內阻，Rp為極化內阻，Cp為極化電容；Ip為極化電阻上的電流；電容Cb描述負載電流的時候累計產生的開路電壓變化。

圖3 標準PNGV等效電路模型

特別是對于動力鋰離子電池包而言，成組時的各個單體的歐姆內阻，極化內阻，極化電容等的差異性是影響成組后電池包特性及使用壽命的主要原因。如何有效減小單體電池各個參數的差異，提高其一致性是各個動力用鋰離子電池生產企業的一個課題。

4 提高一致性的一種方法-涂布量同步測量

4.1 涂布量測量原理

在鋰離子電池生產制造過程中，我們通過監測單個電池中的正極/負極材料的涂敷量的多少，及對隔膜材料的薄厚，追溯電池在生產環節中的誤差產生；評估成組前單個電池特性、及對其進行分選。具體做法如圖4所示。在烘干箱及壓整工序完成后，架設涂布量測量機架，通過機架上搭載的傳感器探頭對被測物進行測量。

圖4 涂布量測量機架設定位置

4.2 涂布量測量傳感器

電池電極的正負極材料的特性完全不同。為了正確地測量，我們根據其的特性，需要選擇合適的傳感器。如 β 射線傳感器：85Kr 15.54GBq，37GBq；90Sr 0.74GBq或3.7 GBq等；X射線傳感器：高功率型15，25 kV（適用于EV電池），具體如表1所示。

表1 X/β射線對被測材料的感度對比（正極以鈷酸鋰為例）

4.3 測量原理

以β射線傳感器為例，如圖5所示，面密度或厚度值是通過放射性同位素釋放出的β射線經過被測材料后的衰減量求出被測材料的面密度或厚度值（需換算）公式以及標準化采樣結果的公式。求出的是以自然數e為底的指數函數。

圖5 β射線傳感器構造

式中，

Io為通過被測材料后的β射線強度；

I為通過被測材料前的β射線強度；

My為被測材料后的質量吸收系數（m2/g）；

Ib快門關閉時強度數值；

標準樣品測量時，IAo為快門打開時強度數值；IBo為快門關閉時強度數值。

為了方便度量，我們將標準化后的采樣結果按照實際需求進行N等分，并將相鄰兩點線性化，就得出了通過被測材料后β射線的衰減量與實際輸出值的一組線性對應關系（因篇幅關系省略其他校正系數等的說明）。如圖6所示。

圖6 指數函數相鄰區間線性化

同時，經過各種參數修正后的β射線傳感器能夠實現穩定輸出，將環境溫度，濕度，被測物振動等擾動因素所帶來的干擾降至最低，實現了精確的輸出結果再現能力。經過各種參數修正后的85Kr和90Sr的β射線傳感器的測量性能及規格如下，如表2所示。

4.4 電極材料厚度測量系統介紹

電極材料厚度測量系統由機架及搭載X/β射線傳感器單元、測量工程師站、測量操作員站、數據曲線歷史數據庫、及測量總線以太網等五部分組成（多機架控制時還有同步控制單元及同步控制以太網等）。通過各個單元的協同實現了電極材料厚度的在線實時采樣，厚度結果的信息傳輸，單點厚度或數據曲線的品質分析，及數據曲線的存儲等諸多功能。同時通過系統防火墻還可將信息傳輸到企業中央控制室或企業云端做進一步的存儲及分析。此外，針對動力用鋰離子電池容量大，一致性要求高等的特點，電極材料的涂布厚度測量也采用了烘干箱兩端分別架設機架傳感器進行同步測量的方法。考慮到多機架傳感器同步測量的需求及精度要求，我們架設了同步控制以太網及同步控制單元；在多個機架之間，共享實時采樣數據及涂布機運行速度、各個機架的健康狀況等參數，如圖7所示。構成部分的簡單功能介紹如下：

（1）機架控制器：負責接收X/β射線傳感器及輔助傳感器的采樣數據；運行實時采樣數據的各種參數校正；監控機架系統的健康。

（2）測量工程師站：設定系統的各個參數；操作及控制系統的各個單元；整定并調節系統參數；監控測量系統的健康等。

（3）測量工程師站：監視系統的各個單元，及健康狀態。

（4）數據曲線歷史數據庫：收集機架傳感器的采樣數據生成實時數據曲線，并在數據庫中按時序存儲數據曲線。

（5）同步控制單元（同步測量用）：共享實時采樣數據及涂布機運行速度、傳感器走行速度、各個機架的健康狀況等參數。

4.5 同步測量

同步測量針對動力用鋰離子電池容量大，一致性要求高等的特點，電極材料的涂布厚度測量也采用了烘干箱兩端分別架設機架傳感器進行測量的方法。我們通過敷設專用同步控制以太網及引入專用控制器；在多個機架之間，共享機架間實時采樣數據，并實時處理涂布機運行速度、傳感器頭走行速度、各個機架的健康狀況等參數，如圖8所示。其中為了能讓機架1與機架2的傳感器頭運行軌跡的軌跡重合，我們分解傳感器頭運動軌跡，形成橫向和縱向兩個分軌跡。并對他們運行分速度分別干預，使其能夠與上游機架1的軌跡完全重合，以便對干燥前后的同一點進行實時采樣分析。同步開始時間設定如下：

橫向同步開始延遲時間=（基準機架的位置

縱向同步開始延遲時間=（基準機架的位置

圖8 電極材料厚度測量系統的組成

經后期多次測試，實際交付國內某公司的測量系統的各個機架間同步精度達到了100 ms，機架傳感器頭的運行時間達到了最快7 s等的最終結果。X/β射線傳感器單元在高速運行狀態下依然保持著規格范圍內的穩定采樣輸出。

5 結束語

通過電極材料的涂布厚度測量系統中的傳感器的優化，同步測量方法的導入，使該系統為動力鋰離子電池制造工藝檢測提供了精確的測量輸出，也為后續動力鋰離子電池在的分選成組提供了可追溯的品質依據，最終使得成品的一致性得到有效提高。

[1]中華人民共和國國務院.中國制造2025[Z].2015.

[2]US Department of Energy.PNGV Battery Test Manual，Revision3[M].Washington，USA:US Department of Energy，2001:D-4.

[3]任志剛.橫河電機EV Battery解決方案介紹中國電動車動力電池系列技術沙龍第一講[M].2011.

[4]橫河電機株式會社.WEBFREX3鋰離子電池解決方案[R].2011.

[5]橫河電機株式會社.β射線傳感器說明書[R].2010.